Électricité et magnétisme : induction, alternateurs et moteurs du parc

Le champ magnétique

Un aimant crée autour de lui un champ magnétique, noté B et mesuré en teslas (T). On le dessine par des lignes de champ qui sortent du pôle nord et entrent au pôle sud. En 1820, Ørsted a découvert qu'un fil parcouru par un courant dévie une boussole : tout courant électrique crée un champ magnétique. Une bobine parcourue par un courant se comporte comme un aimant, et un noyau de fer doux à l'intérieur renforce beaucoup le champ. C'est l'électroaimant : celui des relais, des sonnettes et des freins de sécurité des manèges.

La force de Laplace : du courant au mouvement

Inversement, un conducteur de longueur L parcouru par un courant I et placé dans un champ B subit une force, la force de Laplace : F = B·I·L·sin α, où α est l'angle entre le fil et le champ. Avec B = 0,5 T, I = 10 A et L = 0,20 m perpendiculaire au champ, F = 1 N. Enroule le fil en spires sur un rotor, place-le entre deux pôles, et le couple qui en résulte fait tourner l'axe : voilà le principe du moteur électrique. Les moteurs de la Grande Roue, des pompes et des ventilateurs du parc fonctionnent ainsi, alimentés en courant alternatif.

L'induction : du mouvement au courant

Michael Faraday a montré l'effet inverse en 1831. Le flux magnétique Φ = B·S·cos θ à travers une bobine mesure « la quantité de champ » qui la traverse. Si ce flux varie dans le temps, une tension induite apparaît aux bornes de la bobine : e = −ΔΦ ÷ Δt (loi de Faraday). Pour obtenir une tension plus grande : faire varier le flux plus vite (tourner l'aimant plus vite), augmenter le nombre de spires, utiliser un champ plus fort ou un noyau de fer. Un aimant immobile, même très puissant, n'induit rien.

Le signe moins est la loi de Lenz : le courant induit s'oppose à la cause qui lui a donné naissance. Quand tu pédales sur une dynamo de vélo, la résistance que tu sens dans la jambe, c'est Lenz. C'est aussi ce qui permet le freinage magnétique de certains manèges : un aimant qui passe devant une plaque de cuivre y induit des courants de Foucault qui le freinent, sans contact ni usure.

Alternateur, dynamo, groupe électrogène

Une bobine qui tourne dans un champ voit son flux passer alternativement du maximum au minimum : la tension induite est sinusoïdale. C'est l'alternateur, qui fournit du courant alternatif. Avec un collecteur qui inverse les connexions à chaque demi-tour, on obtient la dynamo et un courant continu.

À la centrale d'Inga, sur le fleuve Congo, l'eau qui tombe fait tourner des turbines couplées à d'immenses alternateurs : énergie potentielle de l'eau, puis énergie mécanique, puis énergie électrique. Au parc, quand le réseau tombe, le groupe électrogène prend le relais : un moteur diesel (énergie chimique) entraîne un alternateur. Les onduleurs (UPS) du cinéma 5D stockent de l'énergie chimique dans des batteries et la restituent en alternatif pendant les secondes de bascule. Seuls les panneaux solaires ne passent pas par l'induction : ils convertissent directement la lumière en électricité.

Puissance, énergie et rendement

La puissance électrique vaut P = U·I (watts). Un moteur alimenté sous 230 V avec 20 A absorbe 4 600 W = 4,6 kW. L'énergie consommée est E = P·t : un moteur de 15 kW qui tourne 5 minutes consomme 15 × (5 ÷ 60) = 1,25 kWh. C'est ce que compte le compteur, et ce que facture la SNEL.

Dans tout conducteur, une partie de l'énergie devient de la chaleur : effet Joule, P = R·I². D'où l'échauffement des câbles et l'intérêt de transporter l'électricité sous haute tension (courant plus faible pour la même puissance). Le rendement η = P_utile ÷ P_absorbée mesure les pertes : un moteur qui fournit 80 kW mécaniques pour 100 kW électriques a un rendement de 80 %.